Procesory a Mikroprocesory

Prírodné vedy » Informatika

Autor: rox85
Typ práce: Referát
Dátum: 21.07.2009
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 2 822 slov
Počet zobrazení: 11 645
Tlačení: 644
Uložení: 661
Procesory
Procesor je súciastka, ktorá zvycajne urcuje typ aj oznacenie pocítaca. Velmi casto sa preto  oznacenie procesora omylom zamiena za oznacenie pocítaca.
 
Procesor je cast pocítaca, zložená z aritmeticko-logickej (vykonáva matematické operácie) a riadiacej (spracúva inštrukcie – niekedy na základe výpoctov v aritmeticko-logickej jednotke) jednotky. Hlavnou náplnou jeho cinnosti je riadenie ostatných súciastok na základe inštrukcií programu (aplikácie), ktoré získava obvykle z RAM.

Prvé procesory boli obrovské a pomalé (pozri ENIAC). Postupne sa zvyšovala kvalita a znižovala velkost (tým aj náklady na výrobu). Od pôvodných sálových pocítacov sa oddelili mikropocítace so svojimi mikroprocesormi (na domáce použitie a relatívne jednoduché úlohy) a minipocítace spracúvajúce nárocnejšie úlohy a riadiace chod iných pocítacov. Vývoj dnešných procesorov sa zacal práve tam. V polovici 80. rokov prišla firma IBM na trh s PC AT (vo vnútri s procesorom Intel 8086), ktorý bol predchodcom dnešných pocítacov. Nikto vtedy nepredpokladal, že vývoj naberie takú rýchlost, aká nasledovala.
Postupne prišli procesory 80286, 80386, 80486, Pentium (586), Pentium II a Pentium III. Každý procesor bol o cosi lepší a rýchlejší od predchádzajúceho. Podla procesorov sa zvyknú pocítace delit na 286, 386, 486,... .
Kvalita procesora je urcená jeho výrobcom, architektúrou (ako dobre je postavený) a v rámci architektúry frekvenciou (pocet inštrukcií za sekundu, ktoré je schopný vykonat):
- výrobca (Intel, AMD, Cyrix),
- rad (486, Pentium, Pentium II, Celeron, K6, K7,...),
- frekvencia („rýchlost“, s akou prebieha spracúvanie vo vnútri procesora - cím je vyššia frekvencia, tým rýchlejšie procesor pracuje; napr. frekvencia 500 MHz znamená, že procesor zmení svoj stav 500 000 000 krát za jednu sekundu).
Názov potom vyzerá napr. 486/25 (procesor rádu 486 s frekvenciou 25 MHz), AMD K6-II/300 (procesor výrobcu AMD s radovým oznacením K6-II a frekvenciou 300 MHz), Celeron 500 MHz (procesor rádu Intel s frekvenciou 500 MHz).
 
V súcasnosti nie je dôležitý ani tak vývoj nových procesorov ako skôr problém zosúladit navzájom výkonnost (rýchlost) všetkých castí pocítaca. Bežný procesor je taký rýchly, že po vyžiadaní údajov nielen z disku, ale dokonca aj z pamäti (RAM) je nútený necinne cakat.

MIKROPROCESORY


Úvod do mikroprocesorov
Niekedy na prelome šestdesiatych a sedemdesiatych rokov sa objavil nový druh elektronickej súciastky, ktorý od základu zmenil prakticky celú výpoctovú techniku - mikroprocesor. Co je vlastne mikroprocesor ? Už na prvý pohlad je jasné, že je to slovo zložené z dvoch castí : predpony Miro a slova procesor. Predpona Miro v tomto prípade znamená, že mikroprocesor je jeden miniaturizovaný obvod a slovo procesor znamená, že táto súciastka dokáže podla nejakého programu spracovat dáta. Základnou vlastnostou mikroprocesora odlišujúcou ho od ostatných elektronických odvodov je teda programovatelnost. Mikroprocesor teda dokáže vykonávat nejaký program. Druhou vlastnostou mikroprocesora je to, že ide o jednu súciastku, prípadne malú množinu súciastok,ktoré navonok vystupujú ako jeden.

Na myšlienke integrovat všetky funkcie procesora do jedného obvodu urcite pracovalo viac firiem, prvenstvo však patrí spolocnosti Intel, ktorá zacala výrobu prvého mikroprocesora Intel 4004 v roku 1971. Vie sa, že firma údajne nevyvíjala obvod 4004 s cielom vyrobit plnohodnotný mikroprocesor, ale s cielom pripravit nový obvod pre elektronické kalkulacky. Preto si zvolili štvorbitové slovo obvodu 4004 vhodné pre operácie s císlami v desiatkovej sústave. Nech to bolo už akokolvek, obvod 4004 bol prvým elektronickým prvkom, ktorého programovatelnost umožnila univerzálne využitie v množstve najrôznejších logických zariadení. Mikroprocesor vyrobený vo velkých sériách tak predstavoval významnú úsporu oproti malým sériám špecializovaných obvodov.

Firma Intel samozrejme výhody tohto obvodu využila a už v roku 1972 prišla s obvodom 8008, co bol plnohodnotný univerzálny mikroprocesor s osembitovým slovom. Zároven sa na trhu objavili mikropocítacov stavebnice MCS 4 a MCS 8, co boli súpravy podporných obvodov, ktoré ulahcovali zostavovanie kompletného funkcného zariadenia okolo obvodu 4004 alebo 8008. Do roku 1975 bolo na trhu asi dvadsat mikropocítacových stavebníc, ale Intel si udržal prevahu.

V roku 1976 sa však objavila tretia generácia mikroprocesorov. Tieto obvody sa od svojich predchodcov velmi nelíšili. Rozdiely boli v rýchlosti, mali zdokonalenú inštrukcnú súpravu, obvody samostatného mikroprocesora už nahradili množstvo funkcií dovtedy používatelných v podporných obvodov. Typickým predstavitelom tejto generácie mikroprocesorov bol Intel 8085, ktorý sa ale na trhu neudržal. Vývojový tím, ktorý tieto mikroprocesory dovtedy vyvíjal, odišiel a založil spolocnost Zilog, kde vytvoril vlastný mikroprocesor, preslávený Zilog Z- 80. Ten bol na svoju dobu výrazne lepší ako jeho konkurenti, takže ho môžeme nájst ešte aj dnes v niektorý jednoduchších zariadeniach, ako sú niektoré automatické prácky, jednoduchšie kopírky, lacné tlaciarne, hracky a iné. Tí starší si iste spomenú na slávny mikropocítac Sinclair Spectrum, ktorý ho tiež využíval.

2. Výroba mikroprocesoru
Prvým bodom výroby mikroprocesoru je jeho návrh. Ten je testovaný na symulacných pocítacoch a slúži na odhalenie chýb. Po úspešnom otestovaní funkcií sa prechádza k fáze výroby kremíkových plastov, ktoré sú od zaciatku vyrábané v super cistom prostredí. Na rozdiel od bežných miestností kde je asi 15 miliónov prachových castíc na 28 400 cm2 obsahuje cistá miestnost menej než jednu prachovú casticu. Kremík (hlavná zložka piesku) je základná súcast všetkých mikroprocesorov. Ten sa musí najprv vycistit na 99.9999999 % potom sa roztaví a odleje do valcových foriem, v ktorých vzniknú kryštalické ingoty. Ingoty sa potom narežú na tenké pláty a ich povrch sa dokonale vyhladí. Z jedného takéhoto plátku sa môže vyrobit až 100 mikroprocesorov. Každý mikroprocesor je kontrolovaný ako viacposchodová budova, viac vrstiev materiálu spolu vytvárajú celok.

Pri výrobe jednotlivých vrstiev sa používa technológia známa ako Fotolitografia. Pomocou tejto technológie prenášame postupne po jednotlivých vrstvách design jednotlivých obvodov na kremíkový plátok. Schematický návrh obvodov je pripravený pre každú vrstvu vo forme masky alebo šablóny. Tá pôsobí do istej miery ako fotografický negatív tým, že sa na kremíkový plátok prenesie iba cast schémy obvodu. V závislosti od typu vrstvy sa na plátok nanášajú rôzne vodivé alebo izolacné materiály, cez neho sa umiestni maska a celý je vystavený pôsobeniu ultrafialového žiarenia, cím dôjde k zmäkceniu nezakrytých oblastí, ktoré sú rozpúštané chemickými rozpúštadlami. Celý tento proces sa opakuje pre všetky vrstvy obvodov, pricom vrstvy majú casto velkost baktérie. Potom sa kremíkový plátok prejde asi 250-mi výrobnými operáciami a je špeciálnymi lasérmi narezaný na jednotlivé mikroprocesory. Každý mikroprpcesor je vložený do ochranného púzdra so špickami (piny), ktorými je možné pripojit mikroprocesor k iným zariadeniam. Intel 8080

V roku 1974 (opät 1. apríla) sa procesor I8080 stal mozgom prvých osobných pocítacov "Altair". Výrobca ocakával, že predá 200 systémov za rok, ale doba ukázal, že ich budú desiatky tisíc. Operacný systém pre "Altair" vyrobila novozaložená firma "MicroSoft".

Obsahoval 6 000 tranzistorov, vyrábaný bol 6 mikrónovou tecghnológiou. Mohol adresovat 64 kB. Pracoval na hodinovej frekvencii 2MHz. Bol 10 násobne výkonnejší ako jeho predchodca 8008, oba však stále patrili k 8-bitovým mikroprocesorom.
Intel 8088/8086/80186

Procesor 8088 je 16-bitový procesor vnútorne zhodný s 8088. Jediný rozdiel bola 8-bitová externá (vonkajšia)údajová zbenica, ktorej priepustnost bola od 4,5-7,6 MB/s. Na trh bol uvedený 1. júna 1979. Pracoval na vnútornej frekvencii 4,77-8 MHz. Mikroprocesor obsahoval 29 tisíc tranzistorov, mal velkost 33mm2 so 40 vývodmi a napájaním 5V. Adresová zbenica mala šírku 20 bitov, co umožnovalo adresovat 1MB. Pracuje iba v reálnom móde a rovnako ako 8086 spolupracoval s matematickým koprocesorom 8087. Bol integrovaný do prvého pocítaca firmy IBM pod oznacením IBM PC. Procesory 8086 a  8088 boli vyrábané technológiou 3µm.

Procesor 8086 je prvým plne 16-bitovým procesorom firmy Intel, ktorý bol uvedený 8. júna 1978. Obsahuje 29 000 tranzistorov. Procesor 8086 pracuje s údajmi velkosti 16 alebo 8 bitov a vytvára 20-bitovú adresu pre adresáciu "až" 1 MB fyzickej pamäte, korú pocítace s týmto procesorom nikdy nedosiahli. Virtuálnu pamät nepodporuje. Procesor je v púzdre typu dual-inline so 40 vývodmi s jediným napájaním +5V na frekvencii 4,77-10 MHz. S týmto procesorom je programovo plne zlúcitelný procesor 8088 (procesory 80186 a 80188 sa v praxi neujali). Taktiež aj procesory 80286, 80386 a 80486 sa v reálnom režime programujú rovnako. 

Procesor 80186 pochádza z roku 1980. Kupujúci sa mohli rozhodnút medzi CHMOS a HMOS verziou, prípadne 8 a 16 bitovou verziou. Jeho rýchlost bola okolo 25 MHz a výrobná technológia 1 mikrón. Aj napriek tomu, že prechádzal postupným vývojom, nikdy sa do PC nedostal.

Intel 80286
Procesor 80286 je následníkom 8086. Na trh prišiel 1. februára 1982. Ide o 16-bitový procesor s pokrocilejšou architektúrou podporujúci prácu v dvoch režimoch. V reálnom režime je zlúcitelný s 8086 a v chránenom režime poskytuje vlastnosti smerujúce k viacúlohovému spracovaniu. Na cipe je s procesorom integrovaná taktiež jednotka správy pamäte, ktorá v chránenom režime dovoluje adresovat 16 MB reálnej pamäte a až l GB virtuálnej pamäte. Jednotka taktiež poskytuje prostriedky pre 4 úrovnovú ochranu castí pamäte proti neoprávneným prístupom.

V reálnom režime možno na procesore spúštat programy urcené pre 8086 bez ich modifikácie. Pre spracovávanie v chránenom režime si vyžaduje rekompiláciu, prípadne úpravu programu.

K procesoru je pripojená 16-bitová údajová a 24-bitová adresová (max 16MB RAM) zbernica. Údajová zbernica mala priepustnost podla frekvencie od 11,4-38,1 MB/s. Procesor je integrovaný do štvorcového integrovaného obvodu so 68 vývodmi a rozmermi 47mm2. Obsahoval 134 tisíc tranzistorov. Vyžaduje jediné napájacie napätie +5 V. Pracoval na frekvenciách zbernice postupne od 6-12,5MHz.
 
Intel 80386
80386 je prvým plne 32-bitovým procesorom firmy Intel. Ochranné známky I386, 80386DX a 386DX sú obchodnými názvami jedného a toho istého procesora, ktorý v dalšom texte budeme podla predchádzajúcich zvyklostí oznacovat 80386. Prvý procesor 386DX bol taktovaný na 16 MHz a prišiel na trh v októbri 1985, v apríli 1989 prišiel typ s najvyššou frekvenciou 33 MHz (konkurencné firmy AMD a Cyrix až do 40 MHz). Obsahoval 275 tisíc tranzistorov v 132 pinovom PGA puzzdre.

Typ pomenovaný 80386SX alebo 386SX je procesor vnútorne úplne rovnaký s 80386, ale má vonkajšiu 16-bitovú štruktúru. Vztah 80386 a 80386SX je podobný ako 8086 a 8088. Všetko, co v dalšom texte platí pre 80386, platí aj pre 80386SX.

Procesor 80386 je integrovaný do keramického púzdra PGA so 132 vývodmi. Spracuje 32-bitové vonkajšie i vnútorné údaje a 32-bitovú adresu. Na cipe je spolecne s procesorom i jednotka správy pamäte obhospodarujúca 4 GB fyzickej a 64 TB virtuálnej pamäte. Základné rozdiely oproti 80286 sú: procesor dokáže pracovat s 32-bitovými operandami, segmenty môžu mat velkost až 4 GB, procesor podporuje stránkovanie pamäte a virtuálny 8086 režim.

Procesor pracuje v troch možných režimoch: reálnom, chránenom a virtuálnom 8086. Reálny režim je zlúcitelný s 8086 (s množstvom rozšírení), chránený režim je vlastný 80386 a je zlúcitelný s chráneným režimom 80286 tak, že programy urcené chránenému režimu 80286 je možné používat bez zmien. V režime virtuálny 8086, do ktorého možno prepnút proces v rámci chráneného režimu, je ponúkaná možnost zdielat napr. MS-DOSu ako jeden proces operacného systému Unix.

K procesoru 80386 bol vyprojektovaný 32-bitový matematický koprocesor dodávaný pod oznacením 80387. Tento koprocesor je opät programovo zlucitelný s predchádzajúcimi typmi.

Intel Pentium
Procesor sa objavil 22. marca 1993. Procesor obsahoval 3,1 millióna tranzistorov a bol vyrábaný 0,8 µm technológiou. Na trh sa dostal v dvoch verziách a to 60 a 66 MHz. Vývojom prišiel až na hranicu 200 MHz. Zbernica mikroprocesora pracovala na frekvencii 25MHz. V porovnaní s jeho predchodcom i486 prinieslo Pentium superskalárnu architektúru, implementáciu dvojice výkonných jednotiek a najmä rozšírenie externej údajovej zbernice z 32 na 64 bitov. Zmeny v jadre a vlastnostiach sa prejavili aj navonok. Mikroprocesor dostal nové puzdro, ktoré sa v histórii rodiny Pentií niekolko ráz menilo.

Prvej serverovej verzie Pentia sme sa dockali v novembri 1995. Prvá mobilná verzia Pentia sa na trhu objavila až v septembri 1997, t.j. po viac ako štyri a pol roku!

Intel Pentium Pro
V roku 1997 pribudli na trh aj dva nové procesory pre servery Pentium Pro s pracovnými frekvenciami 180 a 200 MHz, pri ktorých sa zvýšila kapacita L2 cache na 1MB

Intel Pentium II
15. júl 1997 (podla iných zdrojov 7. máj resp. 30. apríl) je dnom, ked boli ohlásené mikroprocesory Intel Pentium II s pracovnými frekvenciami 233 a 266 MHz. Najvyššiu pracovnú frekvenciu dosiahli na hranici 450 MHz. Procesor obsahoval 7,5 milióna tranzistorov a bol vyrábaný 0,35  µm technológiou. Napájanie jadra 2,8 V. Dokázal adresovat až 64 GB pamäte. Pentium II bolo dodávané v Slote I, co ukoncilo otvorenost mikroprocesorových platforiem. Dual independent bus, dynamic execution, Intel MMX™ technology

Pamätové médiá
Spociatku sa programy vkladali do pamäti pocítaca pri riešení tej istej úlohy vždy znova a znova. Bolo to nehospodárne a pri zložitejších programoch velmi zdlhavé. Tento problém podnietil ukladanie programov tak, aby pri opätovnom použití toho istého programu nebolo treba zadávat program rucne (mal si ho do pamäti vložit sám pocítac). Údaje sa zacali ukladat na dierne štítky, neskôr na diernu pásku. Dierny štítok bol hárok tvrdého papiera, na ktorý sa ukladali údaje (neskôr aj programy) do 80 stlpcov. Podla kombinácie dier v príslušnom riadku (stlpci) pocítac dokázal informáciu preložit do svojho jazyka.
Dierne pásky boli pruhy z umelého materiálu, v ktorých boli opät diery. Výhodou diernej pásky bolo, že sa na nu zmestilo podstatne viac údajov ako na dierny štítok a bola lepšie skladovatelná.
 
Vývoj opät pokrocil. Na jednej strane sa zacali vyvíjat malé domáce mikropocítace urcené pre „bežných smrtelníkov” (väcšinou len na hranie alebo jednoduché programy) a na strane druhej sa „velké” pocítace zacali konecne používat na riešenie dalších druhov problémov. Aplikácie pracujúce na pocítacoch si vyžadovali väcšie množstvo vnútornej pamäti (RAM), rýchlejšie procesory a jednoduchšie ovládanie. Ukladanie údajov z pocítaca na nosice (dierna páska,...) sa stalo nevyhnutnostou, pretože bolo nemyslitelné vkladat programy (teraz už aj pomerne zložité) do pocítaca pri každej novej požiadavke rovnakého typu znova.

Vnútorná pamät pocítaca (RAM) má velkú nevýhodu. Pri vypnutí pocítaca sa všetko, co je v nej, stratí. Preto, ak nechcete po každom novom zapnutí vkladat tie isté údaje do pocítaca znova, musíte ich uložit na nejaké pamätové médium (nosic), odkial ich pocítac dokáže po novom spustení vziat opät do RAM.
... a údajov stále pribúdalo. Dierne pásky boli už nedostacujúce nielen kvôli množstvu, ktoré sa na ne vošlo, ale aj kvôli rýchlosti, akou vstupovali údaje do pocítaca. Dalšou nevýhodou bola možnost použit každú pásku len raz. Ked sa programy (údaje) na páske stali neaktuálnymi, nebolo možné na tú istú pásku nahrat nové, preto sa musela zahodit.

Nasledovníkmi diernych pások sa stali kazety s páskou, ktoré pripomínali magnetofónové kazety, no boli o cosi väcšie. Sem bolo možné vdaka elektromagnetickému záznamu ukladat údaje lubovolný pocet krát, nehovoriac o množstve, ktoré sa na jednu pásku vošlo. Kazety mali mnoho výhod a jednu nevýhodu. Prístup k údajom bol sekvencný, t.j., ak ste potrebovali údaje uložené na konci pásky, mohli ste sa k nim dostat až po previnutí. A to bola strata casu.

Pásky boli (aj preto) nahradené pevnými diskami. Disk bol zložený z niekolkých platní, ktoré pripomínajú klasické gramoplatne. Operátor vydal príkaz: chcem toto a toto, pocítac zistil, kde sa údaje nachádzajú, presunul na príslušné miesto hlavu (podobne ako váš starý otec ihlu gramofónu) a údaje precítal. Prístup k údajom bol ovela rýchlejší, pretože už nebolo nutné cakat na prevíjanie pásky. Pevné disky (aj ked oproti pôvodným poriadne minimalizované) pracujú v pocítacoch aj dnes. Okrem diskov sa na ukladanie údajov používajú aj diskety. Disketu možno chápat ako zmenšený disk. Zmestí sa na nu menej údajov, no dá sa prenášat a možno ju archivovat.
Diskety ako médiá na prenos ci archiváciu údajov sa však osved­cili len pre menšie množstvá údajov (zálohy úctovníctva, krát­kych textov,...). Na archivovanie väcších objemov (obrázky, caso­pisy, programy,...) sa v súcasnosti používajú CD (kompaktný disk), pricom 1 CD pojme údaje zo 450 diskiet.

Pred niekolkými rokmi bolo používanie CD viac zriedkavos­tou ako pravidlom. Na jeho cíta­nie sa používala mechanika, kto­rej cena bola spociatku rovnaká ako cena ostatných súciastok dohromady. Postupne (rovnako ako pri ostatných kompo­nentoch) cena klesala a dnes je pocítac bez schopnosti cítat CD ochudobnený nielen o možnost cítat dátové disky, ale aj o prehrávanie zvukových nosicov.
CD je pri svojej kapacite atraktívny nielen kvôli množstvu údajov, schopnosti zaznamenávat zvukové stopy, ale zacínajú sa na nom dodávat aj videofilmy.
Jednou z mála nevýhod je, že na CD-nosic sa údaje vypalujú pomocou lasera, a preto na bežné médium  možno údaje zaznamenat len raz.
Charakteristika pamätí Pamät v pocítaci sa najcastejšie delí na vnútornú a vonkajšiu.

Pre vnútornú pamät (RAM) je charakteristická vyššia rýchlost a zmazanie údajov pri vypnutí pocítaca. Pri práci pocítaca sú v nej uložené údaje (niekedy celá aplikácia), s ktorými procesor pracuje. Cím väcšiu pamät máme k dispozícii, tým je práca s pocítacom plynulejšia. V prípade menšej RAM-ky sa údaje casto cítajú z disku, co spomaluje prácu a núti procesor zbytocne cakat.
Medzi vonkajšie (externé) pamätí zaradujeme disky, diskety, CD... Sú o cosi pomalšie, no údaje sa na nich uchovávajú aj po prerušení napätia. Možno ich medzi pocítacmi prenášat. Externé pamäti casto oznacujeme ako vstupno-výstupne zariadenia, pretože ak z nich pocítac údaje cíta, ide o vstupné, a ak na ne údaje ukladajú, ide o výstupné zariadenia.
Charakteristickou, a pre užívatela dôležitou, vlastnostou pamätí je ich kapacita. Kapacita pamäti hovorí o množstve údajov, ktoré sa do nej (alebo na nu) vojdú. Už vieme, že sa meria v bytoch (bajtoch), že jeden byte si možno predstavit ako jeden znak a je zložený z 8 bitov.
Byte je pomerne malá jednotka, preto sa používajú jednotky väcšie:
 
1 kB (kilo byte) = 210 byte = 1024 = (približne) 1 000 znakov
1 MB (mega byte)= 210 kB = 1024 = (približne) 1 000 000 znakov
1 GB (giga byte)= 210 MB = 1024 = (približne) 1 000 000 000 znakov

Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Odporúčame

Prírodné vedy » Informatika

:: KATEGÓRIE – Referáty, ťaháky, maturita:

Vygenerované za 0.025 s.
Zavrieť reklamu